本次笔记均为OCR结果,仅供参考
均匀平面波在介质面的反射和折射
(入射波的波矢 ki 位于 yOz 平面内)
入射波: Ei=E0ieiki⋅r=E0iei(kiyy+kizz)
反射波: Er=E0reikr⋅r=E0rei(krxx+kryy+krzz)
折射波: Et=E0teikt⋅r=E0tei(ktxx+ktyy+ktzz)
介质 1 侧的总电磁场: E1=Ei+Er
介质 2 侧的总电磁场: E2=Et
1. 方向关系: 由边值关系 n^×(E2−E1)=0 可知 (电场切向相等)
n^×(Ei+Er)∣z=0=n^×Et∣z=0
n^×(E0iei(kiyy)+E0rei(krxx+kryy))=n^×E0tei(ktxx+ktyy)(在界面上任意位置成立)
则: krx=ktx=0
Acoskiyy+Bcos(krxx+kryy)=Ccos(ktxx+ktyy)
那么, 入射波、反射波、折射波共面, kiy=kry=kty
kisinθi=krsinθr=ktsinθt
即 ki=kr, θi=θr, sinθtsinθi=kikt=ωμ1ϵ1ωμ2ϵ2=μ1ϵ1μ2ϵ2=n1n2 (折射定律)
2. 幅度关系:
分类讨论: (1) N 波: E 垂直于入射面
{n^×(E2−E1)=0n^×(H2−H1)=0
{E0i+E0r=E0tη1E0icosθi−η1E0rcosθi=η2E0tcosθt
E0iE0r=η2cosθi+η1cosθtη2cosθi−η1cosθt≈μr∼1n1cosθi+n2cosθtn1cosθi−n2cosθt=−sin(θi+θt)sin(θi−θt)
\frac{E_{0t}}{E_{0i}} = \frac{2 \eta_2 \cos \theta_i}{\eta_2 \cos \theta_i + \eta_1 \cos \theta_t} \stackrel{\mu_t \sim 1}{\approx} \frac{2 n_1 \cos \theta_i}{n_1 \cos \theta_i + n_2 \cos \theta_t} = \frac{2 \cos \theta_i \sin \theta_t}{\sin (\theta_i + \theta_t)}
$$ (菲涅尔公式)
(2) P 波: $\vec{E}$ 平行于入射面:
\frac{E_{0r}}{E_{0i}} = \frac{\tan (\theta_i - \theta_t)}{\tan (\theta_i + \theta_t)}
\frac{E_{0t}}{E_{0i}} = \frac{2 \cos \theta_i \sin \theta_t}{\sin (\theta_i + \theta_t) \cos (\theta_i - \theta_t)}
### 关于反射波的结论:
(1) $n_1 < n_2$ 时, 光疏 → 光密
N 波 $sgn \{ \frac{E_{0r}}{E_{0i}} \} = -1$ 存在半波损失 (相位变化 π)
(2) $n_1 > n_2$ 时, 光密 → 光疏.
$\sin \theta_i / \sin \theta_t = n_2 / n_1 = n_{21} < 1$ 则 $\sin \theta_t = \sin \theta_i / n_{21}$ $\theta_i \in [0, \frac{\pi}{2}]$ 时
当 $\theta_i > \theta_c = \arcsin (n_{21})$ 时, $\sin \theta_t > 1$ 发生全反射
(3) 当 $\theta_i + \theta_t = \pi / 2$ 时, $\theta_i = \theta_B = \arctan (\frac{n_2}{n_1})$ 布儒斯特角
### 全反射现象
$\sin \theta_t = \sin \theta_i / n_{21} > 1$ 且 $\theta_t$ 是复数.
$\cos \theta_t = \sqrt{1 - \sin^2 \theta_t} = i \sqrt{\sin^2 \theta_i / n_{21}^2 - 1}$
反射波幅度改变:
N 波
\frac{E_{0r}}{E_{0i}} = \frac{\cos \theta_i - i \sqrt{\frac{\sin^2 \theta_i}{n_{21}^2} - 1}}{\cos \theta_i + i \sqrt{\frac{\sin^2 \theta_i}{n_{21}^2} - 1}} = e^{-i 2 \phi_\pi}
P波
\frac{E_{0r}}{E_{0i}} = \frac{n_{21}^2 \cos \theta_i - i \sqrt{\sin^2 \theta_i - n_{21}^2}}{n_{21}^2 \cos \theta_i + i \sqrt{\sin^2 \theta_i - n_{21}^2}} = e^{-i 2 \phi_P}
一般 $\phi_\pi \ne \phi_P$
### 介质1侧总电磁场
以N波为例:
\vec{E}1 = \vec{E}i + \vec{E}r = \vec{E}{0i} e^{i(k{iy} y + k{iz} z)} + \vec{E}{0r} e^{i(k{ry} y + k_{rz} z)}
$k_{iy} = k_{ry} = k_y,k_{iz} = -k_{rz},\vec{E}_{0i} = \vec{E}_{0}$
$\vec{E}_{0r} = \vec{E}_{0} e^{-i 2 \phi_{N}}$
\vec{E}i = \vec{E}{i0} e^{i(k_{ix}x + k_{iy}y + k_{iz}z)}
\vec{E}r = \vec{E}{r0} e^{i(k_{rx}x + k_{ry}y + k_{rz}z)}
\vec{E} = \vec{E}i + \vec{E}r = \vec{E}{i0} e^{i(k{ix}x + k_{iy}y + k_{iz}z)} + \vec{E}{r0} e^{i(k{rx}x + k_{ry}y + k_{rz}z)}
\begin{aligned}
\vec{E}1 &= \vec{E}0 e^{i(k{y}y + k{iz}z)} + \vec{E}{0} e^{-i 2 \phi{N}} e^{i(k_{y}y - k_{z}z)} \
&= 2 \cos (k_z z + \phi_{N}) \vec{E}{0} e^{-i\phi_N} e^{i k{y} y} \
\end{aligned}
结果的前半部分沿z轴周期性变化,为复振幅。后半部分说明电磁波相位传播沿y方向相速度:
V_P = \frac{\omega}{k_y} =\frac{\omega}{k_i \sin \theta_i} > \frac{\omega}{k_i} = \frac{c}{n}
称为快波
介质2侧的电磁场(要满足边界条件,必然不是全都没有)
$$ \vec{E_t} = \vec{E_{ot}} e^{i(k_{ty} y + k_{tz} z)}
$ k_{ty} = k_t \sin \theta_t = k_i \sin \theta_i k_{tz} = k_t \cos \theta_t = ik_i \sqrt{\sin^2 \theta_i - n_{21}^2} = i K_{tz} $
所以 Et=Eote−Ktzzeiktyy
依然能够分为沿z轴的复振幅和沿y轴的相位传播
倏逝波/消逝波
相速度 vp=ktyω=ktsinθtω<ktω=n2c 称作慢波
穿透深度: δ=Ktz1=2πsin2θi−n212λ1 ← 介质1波长
幅度:
S波: EoiEot=cosθi+isin2θi−n2122cosθi
P波: EoiEot=n212cosθi+isin2θi−n2122n21cosθi
能流: Si N波为例
从波印廷矢量:
入射波复数波印廷矢量: Si~=21Ei×Hi∗=∣Eoi∣22η1ki^
反射波复数波印廷矢量: Sr~=2η11∣Eor∣2kr^=sin2(θi+θt)sin2(θi−θt)2ηi∣Eoi∣2kt^
折射波 St~=2η21∣Eot∣2kt^=sin2(θi+θt)4cos2θisin2θt2η21∣Eoi∣2kt^
在垂直界面方向(法向) n^⋅⟨Si⟩+n^⋅⟨Sr⟩=n^⋅⟨St⟩
功率反射率: R=n^⋅⟨Si⟩n^⋅⟨Sr⟩=EoiEor2
功率透射率: T=n^⋅⟨Si⟩n^⋅⟨St⟩=EoiEot2η2cosθi2η1cosθt
R+T=1 全反射时 n^⋅⟨Si⟩=−n^⋅⟨Sr⟩
n^⋅⟨St⟩=0
n^⋅St~=2η2∣Eot∣2cosθt 纯虚数
介质2侧沿垂直于界面方向没有平均的能流,只有瞬时能流。